Betriebsverhalten Wärmepumpe und Heizstab

Das Rasterdiagramm in Abbildung 33 zeigt den täglichen Verlauf des alleinigen Wärmepumpenbetriebes (grün), des alleinigen Heizstabbetriebes (gelb) sowie des zeitgleichen Betriebs von Wärmepumpe und Heizstab (rot) während der Auswertungsperiode von August bis Dezember 2016.

Zum Verständnis des Betriebsverhaltens ist zum einen die Kenntnis des Regelungskonzeptes (siehe vorheriges Kapitel 4.3.1) als auch des Zapfverhaltens (siehe Kapitel 4.1.1) hilfreich. Die Bewohner zapfen im Mittel rund 190 Liter pro Tag (und damit weit mehr als die Bewohner in den anderen Gebäuden). Knapp die Hälfte der täglichen Zapfungen erfolgt vor 10:00.

Die Wärmepumpe startet täglich zwischen im Laufe des Morgens/Vormittags, wenn der Einschaltwert von 52 °C in der Speichermitte unterschritten ist, und ist dann für einige Stunden in Betrieb. Teilweise ist der Betrieb nicht durchgehend, sondern es stellt sich ein taktendes Betriebsverhalten ein mit Laufzeitpausen von rund 5 min; in Abbildung 33 erkennbar als kurzer Wechsel von grün / weiß bzw. gelb / rot (die Erklärung dafür erfolgt weiter unten im Text im Zusammenhang mit dem PV-Betrieb). An vielen Tagen wird der Sollwert erneut am Abend / in der Nacht unterschritten, so dass die Wärmepumpe erneut den Speicher auf 55 °C bei TS1_55 % erwärmt.

Die Legionellenschaltung, während der die Wärmepumpen den Speicher auf 64 °C (TS1_55 %) und der Heizstab bis 74°C (TS2_88 %) erwärmt, dauert i.d.R. gut 2,0 bis

1 Bei der untersichten Anlage wird das PV-Signal an der Wärmepumpe aktiviert, sobald der Strom Strom von der PV-Anlage des Gebäudes einen Wert von 3 Ampere übersteigt.

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Auswertung 2,5 Stunden. Der Energiebezug des Heizstabes liegt üblicherweise in der

Größenordnung von rund 3 kWh.

Der Heizstab geht an knapp der Hälfte der Tage im Auswertungszeitraum aufgrund von „niedrigen“ Speichertemperaturen im mittleren Speicherbereich (TS1_55 % <

40 °C) in Betrieb, sofern seit dem letzten Wärmepumpenbetrieb Zapfungen mit einem entsprechend hohen Gesamtvolumen auftraten. Betrachtet man das Zapfverhalten der Nutzer so liegt nahe, dass dieser Heizstabbetrieb nicht notwendig wäre. Der Energieinhalt bzw. die Temperatur im oberen Speicherbereich sollten vermutlich ausreichen um die Zeit der Erwärmung mittels der Wärmepumpe zu überbrücken.

Bei vielen dieser Heizstabbetriebe endet der Heizstabbetrieb, wenn das Einschaltkriterium wieder überschritten wurde. Die Laufzeit lieg dann üblicherweise im Bereich von 1 Stunde bis 3 Stunden (geringere und längere Laufzeiten treten seltener auf); abhängig von der Speichertemperatur beim Start und möglicher Zapfungen während der Betriebszeit. Der Energiebezug liegt im Bereich von 1,5 kWh bis 4 kWh. In wenigen Fällen läuft der Heizstab auch noch dann, wenn die Einschalttemperatur bereits wieder überschritten wurde. Ob dies aus einer Überschneidung mit einem anderen Modus oder einem zweiten Ausschaltkriterium begründet ist, wurde nicht untersucht.

Wie im vorherigen Kapitel erläutert, ist das Betriebskonzept für die Wärmepumpen während ein „PV-Signal“ anliegt identisch zu dem Standardbetrieb. Daher wirkt sich das Signal nicht verlängernd auf den Wärmepumpenbetrieb aus. Vielmehr kann die Laufzeit der Wärmepumpe ggf. durch den zeitgleichen Betrieb des Heizstabes gegenüber dem „Standardbetrieb“ etwas eingeschränkt werden. Der Umfang der Laufzeitreduzierung (und damit dem Betrag der Wärmepumpe an der Speichererwärmung) ist abhängig von der Temperatur im oberen Speicherbereich bei Start des Heizstabes und damit nur von Relevanz, wenn die dortige Temperatur (deutlich) unter dem Ausschaltwert der Wärmepumpe liegt. Das PV-Signal scheint bei der Wärmepumpe einen taktenden Betrieb zu verursachen (Beschreibung siehe oben), da das Takten im Zusammenhang mit Änderungen des PV-Signales aufzutreten scheint.

Eine genauere Analyse müsste diese These prüfen. Weshalb der Signalwechsel ein Takten verursacht sollte, ist nicht offensichtlich, da sich die Wärmepumpe „im normalen Speicheraufwärmbetrieb befindet“ (TS1_55 % < (T_soll + dt)), wenn es auftritt. Wie oben beschrieben ist der Heizstab im PV-Modus ebenfalls in Betrieb, wenn die mittlere Speichertemperatur unter 55 °C (+/- 1k) und die obere Temperatur unter 73 °C liegt. Der Heizstabbetrieb, der durch „niedrige“ Speichertemperatuten ausgelöst wird (siehe oben), fällt an den Tagen, an denen ein „PV-Signal“ anliegt, häufig in den gleichen Zeitbereich.

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Auswertung

Abbildung 33: Zeitlicher Verlauf des Betriebes der Wärmepumpe und des Heizstabes in Anlage 5

4.3.3 Elektrische, thermische Energie und Anlageneffizienz

Anlage 5 hat aufgrund des hohen Warmwasserbedarfes der Bewohner, im Mittel rund 190 Liter pro Tag und damit 30 % mehr als Anlage 1 – die Anlage mit dem höchsten Warmwasserbedarf der anderen vier Anlagen -, gute Vorrausetzungen eine „hohe“

Arbeitszahl zu erreichen. Jedoch liegt die Arbeitszahl (berechnet über den Auswertungszeitraum 1.8. bis 31.12.2016) mit 1,6 unter dem Wert von Anlage 1 (2,2);

siehe Abbildung 34. Der Grund für die „geringe“ Arbeitszahl ist der hohe Heizstabeinsatz dieser Anlage. Der Heizstab hat einen Anteil von 52 % am Gesamtenergiebezug der Anlage. Damit liegt der Energiebezuges des Heizstabes sogar knapp 30 % über dem Energiebezug des Verdichters. Der Heizstab ist an rund der Hälfte der Tage aufgrund der Unterschreitung des Sollwertes für dessen Betrieb (40 °C in Speichermitte) in Betrieb. Zusätzlich wird der Heizstab in Betrieb genommen, wenn das PV-Signal anliegt und der Speicher im mittleren Bereich unter 55 °C liegt. Im Gegensatz zu diesen beiden Einsatzzwecken des Heizstabes, ist der durch die Legionellenschaltung verursachte Heizstabbetrieb von geringerem Einfluss.

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Auswertung

Abbildung 34: Arbeitszahl, thermische und elektrische Energie sowie mittlere Temperaturen im Zeitraum August bis 31. Dezember 2016

Auch die Auswertung der wöchentlichen Arbeitszahl (siehe Abbildung 35) zeigen deutlich den Einfluss des Heizstabeinsätze auf die Arbeitszahl der Anlage.

Abbildung 35: Wöchentliche Arbeitszahl der Anlage 5

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Auswertung

4.4 Betriebsverhalten und Effizienz: Empfehlungen für